锂盐高效减水剂抑制碱硅酸反应在水工混凝土中的应用.pdf

水 力 发 电 第 3 7卷第 9 期 2 0 1 1年 9月 锂 盐 高 效 减 I 剂 抑 制 碱 硅 酸 反 应 在 水 工 混 凝 土 中 的应 用 李光伟 周麒 雯 ( 中国水 电顾 问集 团成都勘 测设 计研 究院 ，四川成都 6 1 0 0 7 1 ) 摘要 ：结合水 电工程的实际 ，对锂盐高效减水剂抑 制碱硅酸反应 ( A S R)在水工混凝土中的应用进行了试验研究 ， 结果表 明，采用锂盐 高效减水剂配 制水工混凝土 ，不仅 能使混凝土 的综 合性 能满足设 计要求 ，同时能有效抑 制活 性 骨料A S R的膨胀变形，从而减少水工混凝土因 A S R膨胀而产生破坏的风险。 关键词 ：减水剂 ；锂盐 ；碱硅酸反应 ；水工混凝 土 Ap p l i c a t i o n o f Li t h i u m b a s e d S u pe r p l a s t i c i z e r i n I n h i b i t i n g t h e Al k a l i - s i l i c a Re a c t i o n o f Hy d r a u l i c Co n c r e t e L i G u a n g w e i ， Z h o u Q i w e n ( H y d r o c h i n a C h e n g d u E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， C h e n g d u 6 1 0 0 7 1 ， S i c h u a n ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e a p p l i c a t i o n o f l i t h i u m b a s e d s u p e r p l a s t i c i z e r i n i n h i b i t i n g a l k a l i - s i l i c a r e a c t i o n ( A S R ) o f h y d r a u l i c c o n c r e t e i s e x p e r i m e n t e d f o r c o n s t r u c t i n g a h y d r o p o w e r p r o j e c t T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o n c r e t e s a d d i n g w i t h l i t h i u m- b a s e d s u p e r p l a s t i c i z e r n o t o n l y i mp r o v e t h e o v e r a l l p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e t o me e t d e s i g n r e q u i r e me n t s ，b u t a l s o e f f e c t i v e l y s u p p r e s s t h e AS R e x p a n s i o n d e f o r ma t i o n o f r e a c t i v e a g g r e g a t e t o r e d u c e d a ma g e r i s k o f h y d r a u l i c c o n c r e t e Ke y W o r d s ： wa t e r - r e d u c i n g a d mi x t u r e ； l i t h i u m； a l k ali - s i l i c a r e a c t i o n ； h y d r a u l i c c o n c r e t e 中图分 类号 ： T V 4 2 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 1 ) 0 9 0 0 9 2 0 3 1 问题的提出 碱 骨 料 反 应( A AR)是 指 混 凝 土 孔 溶 液 中 由 于 水 泥 及 其 他 来 源 的 碱 与 骨 料 中 的 有 些 矿 物 发 生 具 有 膨 胀 性 的 有 害 化 学 反 应 ，从 而 导 致 混 凝 土 膨 胀 开 裂 的现 象 。AAR不 仅使 混 凝 土结 构 的强 度 降低 ，而且 会诱 发或 加 速 其 他老 化 破 坏 ，如 渗 漏溶 蚀 、冻 融破 坏 和 化学 侵 蚀 等 ，冈其 造 成 的开 裂 破坏 难 以修 补 而 被誉 为混凝 土 中 的 “ 癌症 ” 。水 电工 程较 长 的使 用 寿 命要 求和 水I混 凝 土所处 的潮 湿环 境 为 A AR 提供 了 充分 的时 间和 环境 条件 因此 水工 混凝 土 在 AAR方 面 比普 通 混 凝 土具 有 更 大 的危 险 性。解 决 AAR破 坏 的最 可 靠 的途 径 是使 用 非 活性 骨 料 ，但 在 坝 址 附 近 选择 骨 料 料源 是 水 电工 程 施 工 的基 本 原则 ，工 程 域 的地 质 构 造 以 及 骨料 料 场 的 可 开 采 性 等 因素 ， 使 得 在选 择 性 能优 良且无 潜 在 危 害 的水 工 混凝 土 骨 料 料 源时 面 临 挑 战 ，活 性 骨料 在 水 电工 程 中 的应 用 在 所难 免 。 AAR按参 与 反应 的骨料 类 型 可分 为碱 硅 酸反 应 囡盟 e r P o w e r 3 7 N o 9 ( A S R) 和 碱 碳 酸 反 应( ACR) 两 种 ，其 中 AS R 为 实 际 工 程 中 最 常 见 的 碱 骨 料 反 应 。 在 水 电 工 程 中 由 于无法 控 制 和有 效 降 低水 工 混 凝 土 内部 的湿 度 ， 此 目前 在 水 工 混 凝 土 中 抑 制 AS R 的 有 效 途 径 主 要 是 控 制 混 凝 土 内部 的 总 碱 含 量 和 适 量 掺 入 抑 制 碱 活 性 的 矿 物 掺 和 料 。 自从 1 9 5 1年 马 可 雅( Mo Co y ) 首 次 报 道 了 含 锂 化 合 物 抑 制 AS R 膨 胀 的 结 果 以 来 ，一 种 新方 法 化 学 外加 剂抑 制 AS R膨 胀 日益 受 到人 们 的 注 意 。 由 于 采 用 化 学 外 加 剂( 主 要 是 锂 盐 )抑 制 AS R 膨 胀 具 有 不 必 改 变 混 凝 土 的 施 _丁 条 件 、操 作 简单 可行 且 可 以改 善 混 凝 土其 他 性 能 的优 点 ，L 六 j 而 成 为 解 决 工 程 混 凝 土 AS R 问 题 的 一 条 重 要 途 径 。 本 文 结 合水 电工 程 的实 际 ，开展 锂 盐 高 效 减水 剂抑 制 AS R在水 工 混凝 土 中应 用 的试验 研 究 。试 验 采 用南 京瑞 迪 高 新技 术 公 司研 制 并 获 得 国家 利 的 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 1 - 0 7 作者简介 ：李光伟 ( 1 9 6 2 一 ) ，男 ，湖北武汉人 ，教授级高T ，科 研所 副所长 从事水工混凝土原材料及水工混凝土性能试验研究 身弓j卺 爿 期 子 Yl5 1 币 ， 守： t 芏，血 向 姒 j T r y ：ll ,p 巾U 1l J 王 ， x 1 工 ， J 上 ， 比；赝贮 J一 口 Hj 具 有 抑制 碱 骨料反 应 效能 的高 效减 水剂 HL C I AAR， 它是 以锂 离子 的碱 替代 传 统 的碱 进行 合 成 的新 型 高 效 减 水 剂 其 性 能 指 标 满 足 DI J T 5 1 0 0 - 1 9 9 9 水 工 混 凝土 外加 剂技 术 规程 的要求 。 2 锂盐高效减水剂抑制 A S R 的试验研究 2 。 1 锂 盐 高效 减水 剂 抑制 A S R效 果 的评 价 采用 砂 浆 棒 快 速法 进 行 掺 锂 盐 高效 减 水 剂 抑 制 AS R的试 验结 果 见 图 l l 5 _ 。由试 验结 果可 以看 出 ，当 掺 0 7 的锂 盐 高效 减水 剂 时 ，1 4 d砂 浆 膨胀 率 小 于 0 1 。与 基 准 砂 浆 相 比 ，其 1 4 d和 2 8 d的砂 浆 膨 胀 值 分 别 减 少 6 4 6 和 6 2 9 ，表 明掺 锂 盐 高 效 减 水 剂 具 有一 定 的抑 制 AS R膨 胀 的作 用 ，其 抑制 效果 满足 砂浆 棒 快速 法标 准 的要求 。 0 6 0 4 鋈 槲 髻 遵O 2 一 U l U 2U U 龄期， d 图 1 掺锂盐高效减水剂抑制 AS R试验结果 采用 混 凝 土 棱 柱体 法 进 行 掺 锂盐 高效 减 水 剂 与 掺低碱高效 减水剂 抑制 AS R的对 比试验 结果见 图 2 _5 I 。 由试 验 结 果 可 知 ，在 相 同 条 件 下 ， 掺 锂 盐 高 效 减 水 剂 混凝 土 3 6 5 d的膨 胀 率 比掺 萘 系 高 效 减 水 剂( 碱 含 量 为 2 4 3 ) 降低 了 1 6 0 ， 比掺 聚 羧 酸 高 效 减 水 剂( 碱 含 量 为 0 1 8 ) 降 低 了 1 8 2 ，表 明掺 锂 盐 高效 减水 剂 抑 制 AS R的作 用 要优 于掺 低 碱萘 系 高 效 减 水剂 以及 掺 聚羧 酸高 效减 水剂 。 碍 拦 超 龄期 d 图 2 掺 不同类型高效 减水剂 抑制 A SR的比较 2 2 锂 盐 高效 减水 剂抑 制 A S R 的机理 分析 锂是 一 种 软 的 、呈 银 白色 、密度 最 小 的 碱金 属 离 子 ，其 原 子序 数 为 3 ，密度 约 为水 的 1 2，锂 的活 性很 高 是 因为 它具 有 排 斥 外部 电子 的趋势 。采 用 以 锂 离子 的碱 替 代传 统 的碱 进行 合成 的新 型 高效 减 水 剂 抑制 AS R 的机 理 主 要体 现 在 ：与 Na ( K )相 比 ， L i 特别 小 的离子 半 径及 高 的 电荷 密 度 以及 由此 引 起 的 L i S i比 Na S i ( K S i ) 更 强 的 离 子 结 合 力 ，导 致 L i 取 代 Na ( K )优 先 与骨 料 中 的活 性 S i O： 反应 ，生 成性 质 完全 不 同于 碱硅 酸凝 胶 的非 膨胀 性 产物 L S H凝 胶 。 同 时 这 些 更 致 密 的产 物 包 裹 在 骨 料 周 围 ， 也 阻止 了 N a ( K+ ) 对 骨料 的进一 步侵 蚀6 1 。 3 锂盐高效减水剂抑制 A S R 在水电工程中的 应用 掺锂 盐 高效 减水 剂 抑制 AS R膨胀 的效 果在 试 验 室 的试 验 中 已经得 到验 证 。但 掺 锂 盐 高效 减 水 剂 在 水 电工 程 实 际 应用 中效 果 如何 是 人 们 十分 关 注 的问 题 。结 合 西 南某 水 电站 工 程 的实 际 ，开展 了锂 盐 高 效 减 水 剂 抑 制 AS R 在 水 电 工 程 中应 用 的 试 验 研 究 。 该 水 电 站 枢 纽 大 坝 为 最 大 坝 高 2 9 5 i n的 砾 石 土 心 墙 堆 石坝 ，该 电站 主 体工 程 混 凝土 量 为 2 9 1万 i n ，绝 大 部 分 为 结 构 混 凝 土 ，约 需 骨 料 6 0 0万 t 。 在 前 期 进 行 大量 的地 质 勘察 以及 试 验 的基 础 上 ，推 荐 当地 具 有 潜 在 碱 活 性 的 泥 质 粉 砂 岩 作 为 混 凝 土 人 工 骨 料 料 源 ，因此抑 制 泥质 粉砂 岩 的 AS R膨胀 成 为 该水 电工 程混 凝 土配合 比设 计 的重 点 。 选 用 工 程 中两 种 比较 有 代 表 性 的结 构 混凝 土 ， 强 度 等 级 分 别 为 C2 0和 C 4 0 ( 骨 料 最 大 粒 径 为 4 0 mm) ，进 行 复掺 锂 盐 高 效减 水 剂 和粉 煤 灰 抑 制 泥 质 粉 砂 岩 AS R 的 试 验 研 究 。 为 了 探 讨 混 凝 土 中 的 总 碱 含 量 对 AS R 膨 胀 的 影 响 ，试 验 时 选 择 了 两 种 混 凝 土 的 总 碱 含 量 ： 一 种 为 实 际 工 程 混 凝 土 总 碱 含 量 1 1 9 k g m ，一 种 为通 过 外 加 碱 使 混 凝 土 的 总碱 含 量 达到 4 0 k g m 。 由 于混 凝 土 棱 柱体 法 所 规 定 的 试 件 尺寸 为 7 5 mmx 7 5 mm 2 7 5 mm，骨料 最 大 粒 径仅 为 2 0 mm，与工 程实 际 的混凝 土骨 料粒 径差 异 较 大 ， 为 了 模 拟 工 程 实 际 本 次 试 验 采 用 全 级 配 混 凝 土 棱 柱 体 法 。 试 件 尺 寸 为 1 0 0 mmX 1 0 0 mmx 5 1 5 mm， 骨 料 的 最 大 粒 径 为 4 0 mm。 试 验 采 用 工 程 中所 使 用 的 中热 水 泥 和 I级 粉 煤 灰 ，水 泥及 粉 煤 灰 的 化 学 成 分 见 表 1 。 其 中水 泥 的 比表 面积 为 3 2 4 m2 k g，粉煤 灰 的细度 为 7 5 。工 程 实 际混凝 土 的配合 比见 表 2 。 表 1 水泥及粉煤灰的化学成 分 中热水泥 2 2 3 0 4 0 3 3 6 8 6 3 7 1 1 9 2 1 9 5 1 1 5 O 4 7 I 级 粉煤灰5 7 O 7 9 4 3 2 6 6 3 3 7 2 1 0 7 0 3 5 0 6 1 0 6 5 W a t e r P o w e r V o 1 3 7 N o 9 园 t I I 耳 月 表 2 工程实际混凝土配合比 全级 配 混凝 土棱 柱 体法 一 组 为 3个 试 件 ，试 件 在温 度 为 2 0 2 的拌 和 问 成 型 。试 件 成 型 后 连试 模 一 起 送 入 温 度 为 2 0 2 、 相 对 湿 度 9 5 以 上 的 养护 室 中养护 2 4 4 h后 拆模 ，在 2 0+- 2 q C 的恒 温室 中测 量 试 件 的 基 准 长 度 ， 然 后 将 试 件 放 置 于 自然 环 境条 件 下养 护 ，混凝 土 不 同龄 期 的膨胀 率 试 验 结果 见 图 3 、 槲 超 龄期， d a C 2 0 混凝土 龄期， d b C4 0 混凝上 图 3复掺锂盐高效减水剂和粉煤灰抑制 A SR的试验结果 由 试 验 结 果 可 以 看 出 ： ( 1 ) 当 混 凝 土 中 的 总 碱 含 量 为 1 1 9 k g m 时 ， 混凝 土一 年 龄 期 的膨 胀 值 为 0 0 0 2 0 0 0 4 ：通 过 外 加 碱 将 混 凝 土 中 的 总碱 含 量 从 实 际 的 1 1 9 k g m， 提 高至 4 0 k g m 时 ，混凝 土一 年 龄期 的膨 胀 值 增加 至 0 0 0 5 0 0 0 7 ，表 明 混 凝 土 的 A S R 膨 胀 值 会 随 着 混 凝 土 中 总 碱 含 量 的 提 高 而 有 所 增 加 。 碱 是 混 凝 土 AAR的 内在 冈 素之一 ，随着混凝 土 中碱 含量 的增 加 ，混 凝 土 的 AS R 膨 胀 值 将 增 大 ， 因 此 水 T 混 凝 土 ( 上 接 第 8 1页)方 案 和 实 际几 个 月 来 的 运 行效 果 也 得 到 了 片J 户 的 认 同 。 3 效益分析 可 提 高 发 电效 益 按 保 守 值 1 计 算 ，按 上 网 电 价 0 1 2 0 2 0元 ( k W h )，以 中小 水 电 站 5 0 MW 的 装 机计 算 年均 提 高 的经济 效 益 是一 个 很 可 观 的数 字 。因此 ，在 中小 水 电站实 行 经 济优 化 运 行是 很 有 圜W a t e r P o w e r V o 1 3 7 N o 9 应 严 格 控 制 总 碱 含 量 。 ( 2)在 自然 环 境 条 件 下 ，实 际 T 程 混 凝 土 的 AS R一 年 膨 胀 值 仅 为 0 0 0 2 0 0 0 4 远 远低 于混 凝 土 棱 柱 体 法标 准所 要 求 的 0 0 4 ，复掺 锂 盐 高 效 减 水剂 和 粉煤 灰抑 制 AS R膨胀 的效果 相 当 明显 。这 是 由于 复掺 部 分粉 煤 灰 时 ，混 凝 土 的密 实 度 和 混凝 土 的抗 渗 透 能 力将 增 大 ，碱 离 子( Na + 、K )迁 移 到 活 性 骨 料 表 面 的 阻 力 增 大 ，活 性 骨 料 颗 粒 内 部 的 S i + 也 因砂 浆 的密 实度 增 大 ，其 分 散性 能减 小 ，因此 活 性 骨料 的 AS R 发 生 的几 率 降 低 ，活 性 骨 料 的 AS R 膨 胀 变 形 减 小 。 4 结论 掺 锂盐 高效 减水 剂具 有 一定 的抑制 AS R 膨胀 的 作 Hj ，其抑 制 AS R膨胀 的效果要 优 于水 T混凝 土 中 目前 常 用 的 掺 低 碱 萘 系 高 效 减 水 剂 以 及 聚 羧 酸 高 效 减 水 剂 。 在 水 电 工 程 中采 用 复 掺 粉 煤 灰 和 锂 盐 高 效 减 水 剂 的 工 程 措 施 ， 不 仅 能 使 混 凝 土 的 综 合 性 能 满 足 设计 要 求 。同时 可 以有 效 抑 制水 工 混 凝 土 中活 性 骨 料 的 AS R 膨 胀 ， 从 而 减 少 水 T 混 凝 土 因 AS R 膨 胀 而 破 坏 的 风 险 。 参考文献 ： 1 乇爱勤 ，张承志 水工混凝土的碱骨料反应问题 J 水利学报 ， 2 0 0 3( 2) ：l 1 7 1 21 2 李 光伟 ，周麒 雯 锦 屏 一 级水 电站 大 坝混 凝土 的碱 骨料 反应 C 水 L大坝混凝土材料 和温度控制研 究与进展 北 京 ：中 水利水 电出版社 ，2 0 0 9 ： 6 8 7 4 3 周麒 雯 两河 E l 水 电站 砂板岩骨料 碱活性抑制 试验研究 J 水 电站设计 ，2 0 0 8 ( 3 ) ： 5 0 5 3 4 1 莫祥银 ，卢 都友 ，许仲梓 化 学外 加剂抑 制碱硅酸反 应原理 及 进展 C 新型 高性能混 凝土 耐久性 的研究 与工程应 用 北京 ： 中国建材上业 出版社 ，2 0 0 4 ： 1 3 2 1 3 8 5 李光伟 ，周麒 雯 锂 盐高 效减水 剂抑 制骨 料 AS R的 试验研 究 J 水利水电科技进展，2 0 1 1 ( 2 ) ： 7 4 7 6 6 莫祥银 ，许 仲梓 ，吴科 如 不 同因素对外 加剂抑 制碱集料反 应 的影响 f J 混凝土 与水 泥制品 ，2 0 0 2 ( 4 ) ： 3 - 6 ( 责任 编辑 常 青 ) 必 要 的 。会 对 电站 设 计 和运 行 管 理水 平 的 提 高带 来 新 的动 力 。 参考文献 ： 1 张勇传 主编 水 电站经济运行原理 J 二版 北 京 ：中同水利水 电出版社 。1 9 9 8 2 张雪源 王蔚 然 关 =丁 ： 水 电厂经济 运行的研 究 J 东 北电力技 术 1 9 9 9 ( 1 ) ： 3 6 3 8 ( 责任 编辑 刘 书秋 )